海底輸油管道在懸空與腐蝕聯(lián)合作用下的剩余壽命預(yù)測(cè)

田凱

摘要：為解決海底輸油氣管道在懸空與腐蝕聯(lián)合作用下的剩余壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題，提出一種海底輸油管道的強(qiáng)度計(jì)算與壽命預(yù)測(cè)方法。通過(guò)懸空管道受力分析求得管壁各項(xiàng)應(yīng)力，采用應(yīng)力集中系數(shù)法分析腐蝕缺陷對(duì)懸空管道強(qiáng)度的影響，根據(jù)模擬腐蝕試驗(yàn)得出的管道缺陷發(fā)展規(guī)律建立管道剩余壽命預(yù)測(cè)模型，從而解決輸油氣管道的剩余壽命預(yù)測(cè)問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：懸空與腐蝕聯(lián)合作用對(duì)管道強(qiáng)度的影響最強(qiáng)，懸空缺陷次之，腐蝕缺陷最弱；隨著服役年限的增長(zhǎng)，懸空與腐蝕缺陷尺寸逐步變大，管道強(qiáng)度降低，最終到達(dá)一定年限時(shí)管道失效。

關(guān)鍵詞：海底輸油管道；水平懸空；腐蝕缺陷；剩余壽命預(yù)測(cè)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0006-05

0引言

根據(jù)勝利海上油田對(duì)埕島海域海底輸油管道檢測(cè)報(bào)告可知，在海流沖刷與石油腐蝕聯(lián)合作用下。海底輸油管道同時(shí)出現(xiàn)外部懸空與內(nèi)部腐蝕缺陷。該聯(lián)合缺陷不但使管道強(qiáng)度降低，當(dāng)缺陷尺寸達(dá)到一定長(zhǎng)度時(shí)，還將極易導(dǎo)致管道破壞，造成大量的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)管道懸空和腐蝕缺陷強(qiáng)度進(jìn)行了廣泛而深入的研究，并提出了一些強(qiáng)度計(jì)算方法，但其理論大都局限于分析管道懸空或腐蝕缺陷的單獨(dú)作用，不能準(zhǔn)確分析缺陷聯(lián)合作用時(shí)的管道強(qiáng)度。

針對(duì)此問(wèn)題，本文首先在分析水平懸空管道各項(xiàng)應(yīng)力的基礎(chǔ)上，采用材料第四強(qiáng)度理論對(duì)懸空管道進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算：然后采用應(yīng)力集中系數(shù)法分析了腐蝕缺陷對(duì)懸空管道的影響：接著根據(jù)管道懸空擴(kuò)展速率與模擬腐蝕試驗(yàn)得出的腐蝕缺陷變化速率，以管道應(yīng)力超過(guò)管道材料最小屈服強(qiáng)度為失效形式，提出了一種在懸空與腐蝕缺陷聯(lián)合作用下的海底輸油管道剩余壽命預(yù)測(cè)方法。

1水平懸空管道應(yīng)力分析

1.1管道結(jié)構(gòu)模型

海底水平懸空管道如圖1（a）所示，管道A、B兩端深埋于海底淤泥之中，淤泥具有一定的彈性支撐作用，可以把A、B兩端的支撐假定為鉸支約束，簡(jiǎn)化模型如圖1（b）所示。

1.2管道受力分析

勝利海上油田的海底輸油管道結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)外雙層管道、保溫層3層結(jié)構(gòu)組成，如圖2所示。作用于水平懸空管道載荷主要有管道內(nèi)部油壓載荷、自重載荷及管道外部環(huán)境載荷。由于水平懸空管道直徑與長(zhǎng)度比一般小于1：10，因此管道可視為桿件結(jié)構(gòu)。

1.2.1內(nèi)部油壓載荷應(yīng)力的計(jì)算

由文獻(xiàn)[6]可知，管道內(nèi)部油壓在內(nèi)層管壁上產(chǎn)生沿圓周方向的環(huán)向應(yīng)力σp1、沿軸線方向的軸向應(yīng)力σp2以及沿直徑方向的徑向應(yīng)力。由于管道為內(nèi)壓管道，所以徑向應(yīng)力較小不予考慮。另外，內(nèi)外層管道之間為保溫層，可忽略油壓對(duì)外層管道的影響。由彈性力學(xué)可計(jì)算內(nèi)層管道環(huán)向與軸向應(yīng)力：

1.2.2自重載荷應(yīng)力的計(jì)算

石油與內(nèi)外層管道的自重載荷沿y軸負(fù)方向均勻分布在懸空管道上，將使管道在xoy平面內(nèi)發(fā)生彎曲。在管道內(nèi)產(chǎn)生彎矩，進(jìn)而使內(nèi)外層管道具有一定的軸向彎曲應(yīng)力，自重載荷q表達(dá)式為

3懸空與腐蝕聯(lián)合作用下管道剩余壽命預(yù)測(cè)

3.1腐蝕缺陷發(fā)展規(guī)律研究

本文采用模擬腐蝕試驗(yàn)研究腐蝕缺陷尺寸的變化規(guī)律，為了準(zhǔn)確模擬石油腐蝕環(huán)境，采用模擬腐蝕試驗(yàn)與實(shí)際腐蝕試驗(yàn)相似性原則，用高純度的硫化氫和二氧化碳?xì)怏w作為腐蝕性氣體，代替石油中的主要腐蝕性物質(zhì)；利用恒定分壓法確定各氣體組成成分硫化氫氣體和二氧化碳?xì)怏w的壓強(qiáng)比，模擬石油中腐蝕性物質(zhì)比例。本文采用勝利海上油田提供的具有不同服役年限且材料為X56的管道進(jìn)行試驗(yàn)，把提供的管道制作成不同服役期管道樣件、對(duì)比樣件、含有微小腐蝕缺陷樣件。首先把含有微小腐蝕缺陷4批樣件同時(shí)投入反應(yīng)釜中，分別在5，10，15，20d后依次取出樣件。采用50刻度游標(biāo)卡尺測(cè)量各批樣件中腐蝕缺陷的尺寸（長(zhǎng)度、寬度、深度），并把測(cè)量的缺陷各尺寸的平均值繪制成隨服役年限變化的曲線。運(yùn)用回歸分析曲線估計(jì)擬合變化規(guī)律，從而預(yù)測(cè)當(dāng)前情況下未來(lái)幾年的缺陷擴(kuò)展情況。

3.2剩余壽命預(yù)測(cè)流程

懸空與腐蝕聯(lián)合作用下的管道剩余壽命預(yù)測(cè)具體過(guò)程是：給定管道結(jié)構(gòu)尺寸、截面尺寸、環(huán)境等多種參數(shù)，采用式（1）～式（24）計(jì)算管道當(dāng)前最大綜合應(yīng)力及判斷其是否失效，若管道最大綜合應(yīng)力小于材料最小屈服強(qiáng)度，則增加管道預(yù)測(cè)壽命；根據(jù)式（25）～式（27）計(jì)算腐蝕缺陷尺寸，再次采用式（1）～式（24）進(jìn)行計(jì)算，直到管道最大綜合應(yīng)力超過(guò)材料最小屈服強(qiáng)度，此時(shí)管道預(yù)測(cè)壽命為該管道剩余壽命，計(jì)算流程如圖3所示。

3.3剩余壽命預(yù)測(cè)實(shí)例分析

為了驗(yàn)證上述理論的正確性，本文以埕島油田某輸油管道中的懸空與腐蝕缺陷為研究對(duì)象，采用有限元軟件分別對(duì)各預(yù)測(cè)年限的懸空與腐蝕缺陷進(jìn)行對(duì)比分析。該管道于2004年投入運(yùn)行，水平懸空管段段長(zhǎng)40.9m，內(nèi)外雙層管道結(jié)構(gòu)，外層管道規(guī)格為φ402mm×14mm，內(nèi)層管道規(guī)格為φ297mm×12mm，管道材料為X56，材料密度為9580kg/m³，材料最小屈服強(qiáng)度為356MPa，石油密度為815kg/m³，工作油壓為2MPa，海水密度為1025kg/m³，海流速度為1.2m/s，懸空段段長(zhǎng)擴(kuò)展速率為2m/a，在內(nèi)層管道管壁25.5m處有腐蝕缺陷，缺陷尺寸為36mm×25mm×1.54mm（長(zhǎng)×寬×深），管道各缺陷應(yīng)力分析結(jié)果如圖4所示。

從圖中可以看出，懸空缺陷處應(yīng)力值大于腐蝕缺陷處應(yīng)力值并且差值較大，這是由于對(duì)腐蝕缺陷進(jìn)行應(yīng)力分析時(shí)沒(méi)有外部環(huán)境與自重載荷的作用，說(shuō)明懸空缺陷對(duì)管道強(qiáng)度的影響較大：懸空與腐蝕聯(lián)合作用的理論計(jì)算值均大于懸空與腐蝕有限元計(jì)算值，這是因?yàn)閷?duì)懸空缺陷分析時(shí)沒(méi)有考慮腐蝕缺陷處的應(yīng)力集中，而本文提出的剩余壽命預(yù)測(cè)方法則考慮了二者的聯(lián)合作用，充分驗(yàn)證了理論分析優(yōu)于懸空與腐蝕單獨(dú)作用時(shí)的分析方法；隨著服役年限的增長(zhǎng)，該管道最大應(yīng)力不斷變大、強(qiáng)度降低，最終在預(yù)測(cè)年限為11a處發(fā)生失效，這是由于在懸空與腐蝕的聯(lián)合作用下隨著預(yù)測(cè)年限的增長(zhǎng)，管道懸空尺寸與腐蝕缺陷尺寸不斷變大。因此管道剩余壽命為11a，建議在此之前應(yīng)對(duì)管道進(jìn)行治理，以防發(fā)生破壞。

4結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)懸空管道的應(yīng)力分析，采用應(yīng)力集中系數(shù)法研究了腐蝕缺陷對(duì)懸空強(qiáng)度的影響。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)懸空與腐蝕擴(kuò)展規(guī)律提出了海底輸油管道在懸空與腐蝕聯(lián)合作用下的剩余壽命預(yù)測(cè)方法，主要結(jié)論如下：

1）本文提出的方法考慮了腐蝕與懸空聯(lián)合對(duì)管道強(qiáng)度的影響，更能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)管道剩余壽命，通過(guò)有限元軟件分析驗(yàn)證了該方法更加接近實(shí)際且有效。

2）懸空與腐蝕聯(lián)合作用對(duì)管道強(qiáng)度的影響最強(qiáng)，懸空缺陷次之，腐蝕缺陷最弱；隨著服役年限的增長(zhǎng)，懸空與腐蝕缺陷尺寸逐步變大，管道強(qiáng)度降低，最終到達(dá)一定年限時(shí)管道失效。